Tempo negativo: físicos conseguem medir fótons saindo de nuvem atômica antes de entrarem

Representação conceitual de um estado quântico de átomos em laboratório. (crédito: Postimages)

O experimento, conduzido por pesquisadores da Universidade de Toronto e da Universidade Griffith, na Austrália, mostrou que fótons — partículas de luz — podem passar um tempo negativo interagindo com átomos ao atravessar uma nuvem de gás resfriado, como se saíssem do outro lado antes mesmo de terem entrado por completo.

O experimento que parece quebrar a lógica

A montagem experimental, na essência, é simples de descrever: um feixe de luz é disparado através de uma nuvem de átomos de rubídio-85, resfriados a temperaturas extremas, entre 60 e 70 microkelvins — próximas do zero absoluto. Esses átomos têm uma propriedade chamada ressonância com certos fótons: a energia do fóton pode ser temporariamente absorvida por um átomo, que fica "excitado" por um instante antes de liberar essa energia de volta na forma de luz.



O estranho é que, ao medir quanto tempo os átomos passam nesse estado excitado enquanto o fóton atravessa a nuvem, o resultado apareceu com sinal negativo. Em outras palavras: se alguém construísse um relógio quântico para cronometrar essa interação, o ponteiro andaria para trás, em vez de para frente — como se o processo tivesse começado antes mesmo de ter começado de fato.

Por que isso não é tão absurdo quanto parece

A explicação está enraizada num dos princípios mais conhecidos — e mais contraintuitivos — da física quântica: o princípio da incerteza de Heisenberg. Para que a ressonância entre o fóton e o átomo funcione bem, o fóton precisa ter uma energia bem definida. Só que, segundo esse princípio, quanto mais precisa é a energia de uma partícula quântica, mais incerto fica o momento exato em que ela existe no tempo — o que, na prática, significa que o pulso de luz correspondente a esse fóton precisa ser relativamente longo e espalhado no tempo, não um instante único.



Isso cria uma situação de física de ondas curiosa: como o pulso de luz é espalhado no tempo, não existe um único "momento de entrada" bem definido para o fóton na nuvem de átomos. A frente do pulso já pode estar saindo do outro lado da nuvem enquanto o pico do próprio pulso ainda está entrando — e o pico, em boa parte dos casos, nunca chega a sair inteiro, porque a maioria dos fótons acaba sendo espalhada para outras direções pelo caminho. O resultado prático é a aparência de que a luz sai da nuvem antes mesmo de ter entrado de fato nela.

Como os físicos confirmaram que não era só ilusão

O método de medição fraca permite monitorar as alterações de fase dos lasers sem destruir os estados quânticos dos átomos. (crédito: Unsplash / CC0)

A dúvida que restava era se esse "tempo negativo" era apenas um efeito de ilusão estatística ou algo fisicamente real acontecendo nos átomos. A técnica usada para confirmar o fenômeno se chama medição fraca — um método que permite obter uma informação parcial sobre um sistema quântico sem perturbá-lo o suficiente para destruir o próprio estado que se está tentando medir. Na prática, os pesquisadores dispararam um segundo feixe de laser, bem mais fraco, através da mesma nuvem de átomos de rubídio, e leram minúsculas variações de fase nesse segundo feixe para rastrear, momento a momento, se os átomos estavam ou não excitados.



Como qualquer medição em sistemas quânticos acaba introduzindo ruído e incerteza, a equipe liderada por Aephraim Steinberg precisou repetir o processo cerca de 1 milhão de vezes, combinando sete conjuntos diferentes de parâmetros experimentais, ao longo de aproximadamente 70 horas de coleta de dados. Só depois de toda essa repetição um resultado claro conseguiu emergir.



O resultado confirmou a suspeita: os próprios átomos relataram o mesmo tempo negativo de excitação que já havia sido inferido antes só pelo formato do pulso de luz. Ou seja, havia um efeito físico real e mensurável acontecendo no laboratório.

Os números por trás da descoberta

Segundo os dados publicados, o tempo de excitação medido para os fótons que de fato atravessaram a nuvem chegou a valores tão baixos quanto -0,82 vezes um valor de referência — sendo que esse valor de referência, medido como média geral para todos os fótons, ficava tipicamente entre 10 e 20 nanossegundos. O estudo, batizado de "Observação Experimental de Valores Fracos Negativos para o Tempo que Átomos Passam no Estado Excitado ao Transmitir um Fóton", foi publicado na renomada revista Physical Review Letters, após circular como um artigo de pré-publicação desde o final do ano anterior.

Não, isso não abre caminho para viagem no tempo

O fenômeno ocorre estritamente dentro dos limites já bem testados da física quântica, respeitando a causalidade. (crédito: Unsplash / CC0)

Antes que a imaginação corra solta: os próprios pesquisadores fazem questão de deixar claro que essa descoberta não representa nenhuma quebra das leis fundamentais da física, nem abre qualquer porta para viagens no tempo ou comunicação mais rápida que a luz. O fenômeno acontece inteiramente dentro dos limites matemáticos já bem estabelecidos da mecânica quântica, respeitando a causalidade (o princípio de que a causa sempre deve vir antes do efeito).



O que a descoberta de fato revela é algo mais sutil, mas ainda assim fantástico: mesmo depois de um século de estudos, o mundo microscópico quântico continua guardando surpresas capazes de desafiar nossa intuição cotidiana de espaço e tempo.

O que vem a seguir

A equipe já tem um próximo alvo de pesquisa definido: entender melhor o comportamento dos fótons que não conseguem atravessar a nuvem de átomos e acabam sendo espalhados em outras direções. A teoria prevê que exatamente esses fótons espalhados carregam um tempo de excitação extra positivo, suficiente para compensar o tempo negativo medido nos fótons que atravessam — mantendo a média de todo o feixe de luz estável.



Do ponto de vista prático, os pesquisadores apontam aplicações potenciais em áreas como o estudo detalhado de interações entre luz e matéria, além de sensoriamento quântico — tecnologias que usam propriedades da mecânica quântica para medir grandezas físicas com precisão sem precedentes na indústria e engenharia.




Fontes: Physical Review Letters, ScienceDaily, Physics World, Live Science, Scientific American, Tom's Hardware.